Discrete Boltzmann multi-scale modelling of non-equilibrium multiphase flows

努森数 动能 物理 统计物理学 玻尔兹曼方程 分布函数 格子Boltzmann方法 玻尔兹曼常数 虚假关系 动力学理论 热力学 机械 经典力学 计算机科学 机器学习
作者
Yanbiao Gan,Aiguo Xu,Huilin Lai,Wei Li,Guanglan Sun,Sauro Succi
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:951 被引量:49
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.844
摘要

The aim of this paper is twofold: the first is to formulate and validate a multi-scale discrete Boltzmann method (DBM) based on density functional kinetic theory for thermal multiphase flow systems, ranging from continuum to transition flow regime; the second is to present some new insights into the thermo-hydrodynamic non-equilibrium (THNE) effects in the phase separation process. Methodologically, DBM includes three main pillars: (i) the determination of the fewest kinetic moment relations, which are required by the description of significant THNE effects beyond the realm of continuum fluid mechanics, (ii) the construction of appropriate discrete equilibrium distribution function recovering all the desired kinetic moments, (iii) the detection, description, presentation and analysis of THNE based on the moments of the non-equilibrium distribution ($f-f^{(eq)}$). The incorporation of appropriate additional higher-order thermodynamic kinetic moments considerably extends the DBM's capability of handling larger values of the liquid-vapor density ratio, curbing spurious currents, and ensuring mass-momentum-energy conservation. Compared with the DBM with only first-order THNE (Gan et al. Soft Matter 11,5336), the model retrieves kinetic moments beyond the third-order super-Burnett level, and is accurate for weak, moderate, and strong THNE cases even when the local Knudsen number exceeds $1/3$. Physically, the ending point of the linear relation between THNE and the concerned physical parameter provides a distinct criterion to identify whether the system is near or far from equilibrium. Besides, the surface tension refrains the local THNE around the interface, but expands the THNE range and strengthens the THNE intensity away from the interface through interface smoothing and widening.

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